Способ измерения линейных перемещений и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 21/00, ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4859495/28 (22) 16.08.90 (46) 28.02,93. Бюл. М 8 (71) Научно-производственное объединение

"Исток" (72) А.А.Нескородов (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ь 877324, кл, G 01 В 21/00, 1980.

2. "Приборы и техника эксперимента", 1989, hh 2, с. 171. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВОДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и можетбыть использовано для измерения линейных перемещений подвижных объектов, в частности, при построении датчиков обратной связи в прецизйонном оборудовании. Целью изобретения является расширение области

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений подвижных объектов, в частности подвижйых органов прецизионного оптико-механического. электриискрового, .электронно-лучевого и металлорежущего оборудования, а также при создании датчиков лийейных перемещений.

Целью изобретения является расширение области применения эа счет расширения диапазона измерения скоростей перемещения объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем преобраь звание смещения измеряемого объекта в ериодический оптический сигнал, его фа„„5U „„1798624 А1 применения за счет расширения диапазона измерения скорости перемещений объекта.

Цель достигается тем, что измеряемое перемещение преобразуют в оптический периодический сигнал. который модулируют по фазе при помощи фазового модулятора, работающего на частоте fM, преобразуют оптический сигнал s исходный электрический, детектируют его синхронно с модулирующим сигналом и формируют таким образом сигнал, сдвинутый по фазе на + z/2 по отношению к исходному, направление движения определяют, сравнивая фазы полученных электрических сигналов при скорости движения Ч < Чпр, а при V Чдр известное направление запоминают, величину перемещения определяют подсчетом числа периодов исходного сигнала, величину V выбирают в диапазоне (0,05-0,2)fv 1 2 с.п. ф-лы, 4 ил. ей эовую модуляцию по гармоническому зако- 4 ну, преобразование оптического сигнала в 0 исходный электрический сигнал, выделвние Q() из него двух квадратурных сигналов. опре- 0 деление направления движения по соотношению их фаэ и счет числа периодов одного р иэ этих сигналов, направление движения определяют при скорости V < Члр путем сравнения фазы исходного сигнала и сигнала,. полученного синхронным детектированием исходного сигнала модулирующим сигналом, а при скорости Ч V p направление движения запоминают, о величине перемещения судят по числу периодов исходного сигнала. Величину предельной скорости Чпр устанавливают иэ соотношения

Члр kfM A,, 1798624 где fM — частота модуляции;

А — длина волны света, k = 0,05 — 0,2.

Для реализации способа в устройство, содержащее формирователь оптического сигнала с фазовой модуляцией, например интерферометр, генератор модулирующего сигнала, последовательно соединенные фотоэлектрический преобразователь, широкополосный усилитель, избирательный усилитель, синхронный детектор, второй вход котброгО соединен с выходом генератора и фильтр нижних частот, формирователь сигнала направления счета, пороговый элемент и реверсивный счетчик, дополнительно введены последовательно соединенные формирователь сигнала скорости, компаратор и запоминающее устройство, причем выход порогового элемента соединен со счетным входом реверсивного счетчика, выход широКополосного усилителя соединен с входом порогового устройства,. входом формирователя сигнала скорости и одним из входов формирователя сигнала направления счета, выход фильтра нижних частот соединен со вторым входом формирователя сигнала направления счета, выход которого соединен с управляющим входом запоминающего устройства, выход запоминающего устройства соединен со знаковым входом реверсивного счетчика.

Предельная частота сигнала,, полученного синхронным детектированием исходного сигнала модулирующим сигналом, в несколько рэз меньше частоты модуляции, что определяется возможностью эффективного подавления несущей. С другой стороны, спектр исходного сигнала не ограничен, что позволяет использовать его для формирования счетных импульсов. Так как при реверсировании скорость перемещения обязательно уменьшается до нуля измерять соотношение фэз квадратурных сигналов, т.е. определять направление движения можно при малых скоростях, когда оба сигнала передают информацию о перемещении без искажения, а при увеличении скорости выше предельной запоминать это направление движения.

Таким образом, скорость перемещения объекта не зависит от частоты модуляции, которая определяется конкретными схемными решениями устройства, реализующего способ.

Исходный электрический сигнал, полученный из оптического интерференционного сигйала, представляет собой сумму фазомодулированного сигнала и постоянного фонового сигнала

03 = 0о +.00зз1п (—,(— + — — з1п ca ot )

4_#_x 4Кд где х — измеряемое перемещение, 5 А- длина волны света, д — амплитуда модуляции.

Такой сигнал содержит в общем случае бесконечное число гармоник. Используя представление функции Бесселя в виде ко10 эффициентов ряда Фурье, исходный электрический сигнал можно представить в виде суммы:

1 1 = Up + 001 ($1п — у — (Ip (ф ) +

4ягх

+ g 2 1г (() соз2keot)+cos x

4Лх

k=1

20 х (g 2 1 zk — q (ф ) sin. (2 k — 1 ) а pt ) }, k =1

4дд

25 где (= — у — — глубина фазовой модуляции, 1к (() — функция бесселя первого рода

k-того порядка.

При малых глубинах фазовой модуляции справедливо соотношение:

lo» 1<» 1г» lз ...

Действительно, при величине (-0,2

Io =9,9 10,1) =9,9 . 10, lг =

=4;98 10 ° 1з = 1,66 10

40 Пренебрегая членами, содержащими коэффициенты ниже второго порядка малости по сравнению с Io, исходный электрический сигнал можно представить в виде

ut — — О0+ И0 (10(ф) sin +

4лх

+ 2 Ii ($ ) @os sin e ot ) .

Таким образом, исходный сигнал содержит широкополосный сигнал, несущий информацию с амплитудой, пропорциональной

Io(g ) и амплитудно-модулированный сигнал

55 с амплитудой, пропорциойальной Ц (). Последний выполняет двоякую роль. С одной стороны, он сэм несет информацию о перемещении, с другой,.является помехой при регистрации широкополосного сигнала.

1798624

Синхронное детектирование модулирующим сигналом позволяет выделить иэ амплитудно-модулированного сигнала второй сигнал вида

02 = 2 081 11 (() соз

4хх

Спектр этого сигнала должен быть ограничен сверху из условия оптимальной фильтрации второй гармоники модулирующей частоты, получающейся при синхронном детектировании, Однако в области низких частот, вплоть до нулевых, информация о перемещении передается полностью. Сравнивая фазы второго сигнала и широкополосного при скорости перемещения меньшей

V>p = ИмЛ, при которой информация о перемещении передается обоими сигналами без . искажения, определяют направление движения, а при достижении V» это направление запоминают. Величину k определяют из условия оптимальной фильтрации второй гармоники несущей частоты и конкретной схемной реализации устройства.

Так как амплитудно-модулированный сигнал представляет собой аддитивную помеху, которая снижает точность измерения фазы широкополосного сигнала, амплитуду модуляции следует устанавливать на минимально возможном уровне. Нижний ее предел ограничен шумами фотоприемной и измерительной систем.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 — временные диаграммы ее работы, Устройство для измерения линейных перемещений содержит формирователь 1 оптического сигнала, например лазерный интерферометр с фазовым пьезоэлектрическим модулятором. соединенный с ним генератор 2 модулирующего сигнала, фотоэлектрический преобразователь 3, расположенный в пределах интерференционной полосы, соединенный с ним широкополосный усилитель 4, последовательно соединенные избирательный усилитель 5, синхронный детектор 6 и фильтр 7 нижних частот, второй вход синхронного детектора 6 соединен с выходом генератора (2), формирователь 8 сигнала направления счета, последовательно соединенные формирователь сигнала скорости 9. и компаратор 10, на второй вход которого подается сигнал Unp, пропорциональный

Vnp, один из входов формирователя 8 соединен с выходом фильтра нижних частот (7), запоминающее устройство 11, один.из входов которого соединен с выходом формирователя 8 сигнала направления счета, а

25 4кх 4Х6

0з = Un + 0оз (sin + sin воз ) Этот электрический сигнал усиливается широкополосным усилителем (4) и подается на

30 вход избирательного усилителя (5), который выделяет и увиливает амплитудно-модулированную составляющую исходного сигнала 04 = k403

35 U5 = U4 "ь = 2 kg k4 0оз 11 (4) х х cos — — sin в ос

4кх

40 Амплитудно-модулированный сигнал Ов детектируется синхронным детектором (6) с коэффициентом передачи k6, сигнал на выходе которого равен

45 06 = k4 ks k611 (g) Ооз х

x(cos —.з — — sos — з — соз 1 а>оз ) 4_#_х 4л"х

50 и фильтруется фильтром нижних частот (7) с о>о частотой полюса fp«2 и коэффициентом передачи кт:

U7 = k4 k5 М kv li (ф ) Ооз cos —;.(—

4лх

Для работы устройства сравнения фаз сигналов необходимо, чтобы полезная часть сигнала U4 и сигнал 07 были равны по ампдругой — с выходом компаратора (10), пороговый элемент 12, выход которого соединен со счетным входом реверсивного счетчика

13, знаковый вход которого соединен с вы5 ходом запоминающего устройства (11), выход широкополосного усилителя (4) соединен с входом избирательного усилителя (5); вторым входом формирователя сигнала направления счета /8/, с входом

10 формирователя сигнала скорости (9) и входом порогового элемента.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Формирователь оптического сигнала (1)

15 преобразует измеряемое перемещение в . периодический оптический сигнал, который подвергается фазовой модуляции посредством воздействия сигнала генератора -(2) на фазовый модулятор, являющийся элемен20 том формирователя оптического сигнала (1)..

Фотоэлектрический преобразователь (3) преобразует изменение интенсивности света в исходный электрический сигнал вида

1798624

= Ы!о(ф) sin — у—

ЮоЮ (ф) = lo(Q.

К5 =—

l1 литуде, Полагая глубину фазовой модуляции малой настолькр, что выполняется соотношение Ip» t1» lz ... пренебрегая членами разложения с коэффициентами менее второго порядка малости по сравнению с lo(Q 5 полезную составляющую сигнала 04 можно представить в виде.

0 и1 = k4 koan Io (4 ) sin — д — =

4 гх.где U> — амплитуда полезного сигнала. 15

Из условия U7 = 04) следует:

Полагая в полосе равномерного пропу- 20 скания фильтра нижних частот (7) k6 = 1 и k7

= 1, можно определить требуемый коэффициент передачи избирательного усилителя (5) Фаза сигналов 041 и 07 сравнивается формирователем сигнала направления счета (8), который в зависимости от направления дви- 30 жения формирует сигнал высокого или низкого уровня.

Формирователь сигнала скорости (9) формирует аналоговый сигнал Ug, пропорциональный скорости перемещения, .кото- 35 рый сравнивается на компараторе (10) с напряжением Unp, пропорциональным I/np, в результате чего на выходе компаратора устанавливается напряжение 0ю высокого или низкого уровня. 40

Сигналы Uэ и 0ю поступают нв входы запоминающего устройства (11), таблица состояния которого представлена на фиг. 3.

При высоком уровне на входе А состояние выхода 0 соответствует текущему состоя- 45 нию входа В, т.е. устройство работает в режиме слежения за знаком, а при низком уровне на входе А на выходе Q запоминается состояние, которое было на нем при высоком уровне на входе А. Изменение уровня 50 на входе В при этом же изменяет состояния выхода.

Принципиальная схема запоминающего устройства представлена на фиг. 4. Устройство состоит из трех элементов 2И-НЕ и 55 одного RS-триггера, Элементы 2И-НЕ Д1 и

ДЗ выполняют функции элементов сравнения, элемент Д2 выполняет функции инвертора, При подаче сигнала низкого уровня на . вход А на обоих входах триггера Д4 устанавливаются высокие уровни при любом состоянии входа В, при этом триггер Д4 сохраняет свое предыдущее состояние, При подаче на вход А сигнала низкого уровня, в зависимости от состояния входа В, на одном иэ входов RS-триггера установится сигнал низкого уровня. Так, при высоком уровне на входе В сигнал низкого уровня будет на R-входе RS-триггера, при этом на выходе 0 будет присутствовать низкий уровень. При низком уровне на входе А сигнал низкого уровня будет присутствовать на Sвходе RS-триггера, что соответствует высокому уровню на выходе.

Сигнал с выхода запоминающего устройства (11) поступает на знаковый вход реверсивного счетчика (13) и устанавливает его в состояние суммирования или вычитания в зависимости от уровня.

Компенсация влияния аддитивной помехи, которая может привести к ложному срабатыванию реверсивного счетчика, осуществляется пороговым элементом (12) с гистерезисной характеристикой, Величина гистереэиса устанавливается иэ условия

Ur > 2 k4 003 11 (ь ) = 2 Оа i> (ь ) Сигнал с выхода порогового элемента (12) поступает на счетный вход реверсивного счетчика (13), который считает число периодов полезного сигнала и таким образом производит измерение перемещения.

В макете измерителя линейных перемещений в качестве формирователя оптического сигнала использовался двухлучевой интерферометр, одно из зеркал которого закреплялось на пьеэокерамическом элементе, Частота модуляции устанавливалась fM = 500 кГц и fM = 30 кГц, при этом ïð устанавливалась на уровне 32 и 1,8 мм/с соответственно.

В качестве фотоэлектрического преобразователя использовался фотодиод, нагруженный на ОУ типа КР544У02, в качестве синхронного детектора — перемножитель сигналов К525ПС1. Формирователь сигнала скорости представляет собой преобразователь частота-напряжение. Все остальные элементы также выполнены по известным схемам с применением микросхем.

Формула изобретения

1. Способ измерения линейных перемещений в оптико-электронных измерительных системах с фазовой модуляцией, включающий преобразование перемещения в периодический оптический сигнал, его фаэовую модуляцию по гармоническому закону, преобразование оптического сигнала в исход1798624 ный электрический сигнал, выделение из него двух сигналов, определение направления движения по отношению их фаз и счет числа периодов одного из этих сигналов, о т л ич а ю шийся тем, что. с целью расширения области применения за счет расширения диапазона измерений скоростей перемещения объекта, сравнивают фазы исходного сигнала и сигнала, полученного синхронным детектированием исходного сигнала модулирующим сигналом, по полученной величине определяют направление движения при 1 V I< V p .

Vnp = ИЧА где fat — частота модуляции фазы;

А — длина волны света, коэффициент k = 0,05 -0,2 выбирается иэ условия оптимального подавления второй гармоники модулирующей частоты; а о величине перемещения судят по числу периодов исходного сигнала.

2. Устройство для .измерения линейных перемещений, содержащее формирователь оптического сигнала с фазой модуляцией, генератор модулирующего сигнала, последовательно соединенные фотоэлектрический . преобразователь, широкополосный усилитель. избирательный усилитель; синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом

5 генератора модулирующего сигнала, и фильтр нижних частот, формирователь сигнала направления счета, пороговый элемент и реверсивный счетчик, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения области примене10 ния за счет измерения быстро перемещающегося объекта, оно снабжено последовательно соединенными формирователем сигнала скорости и компаратором, запоминающим блоком, выход порогового элемента соединен со

15 счетным входом реверсивного счетчика, выход широкополосного усилителя соединен с входом порогового устройства,. входом форми- . рователя сигнала скорости и одним из входов формирователя сигнала направления счета, 20 выход фильтра нижних частот соединен с вторым входом формирователя сигнала направления счета, выход которого соединен с входом запоминающего блока, выход компаратора соединен с управляющим входом запоминающе25 го блока, выход которого соединен со знаковым входом реверсивного счетчика.

1798624

1798624

Составитель Е.Глазкова

Техред M.Ìîðråíòàë Корректор Т.Вашкович

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 765 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5